Los físicos e ingenieros de la Universidad Case Western Reserve han desarrollado un sensor óptico, basado en metamateriales nanoestructurados, que es 1 millón de veces más sensible que el mejor disponible actualmente, uno capaz de identificar una sola molécula liviana en una solución altamente diluida.
Su objetivo: proporcionar a los oncólogos una forma de detectar una sola molécula de una enzima producida por las células cancerosas circulantes. Dicha detección podría permitir a los médicos diagnosticar pacientes con ciertos tipos de cáncer mucho antes de lo que es posible hoy en día, monitorear el tratamiento y la resistencia y más.
"El pronóstico de muchos tipos de cáncer depende de la etapa del cáncer en el momento del diagnóstico", dijo Giuseppe "Pino" Strangi, profesor de física en Case Western Reserve y líder de la investigación.
"Muy temprano, la mayoría de las células tumorales circulantes expresan proteínas de muy bajo peso molecular, menos de 500 Daltons", explicó Strangi. "Estas proteínas suelen ser demasiado pequeñas y en una concentración demasiado baja para detectarlas con los métodos de prueba actuales, produciendo resultados falsosresultados negativos.
"Con esta plataforma, hemos detectado proteínas de 244 Daltons, lo que debería permitir a los médicos detectar cánceres antes; todavía no sabemos cuánto antes", dijo. "Esta plataforma de biosensores puede ayudar a desbloquear el próximoera de la detección inicial del cáncer "
Los investigadores creen que la tecnología de detección también será útil para diagnosticar y controlar otras enfermedades.
Su investigación se publica en línea en la revista Materiales de la naturaleza . Fue un excelente trabajo en equipo, dijo Strangi. Trabajó con los investigadores posdoctorales Kandammathee Valiyaveedu Sreekanth y Efe Ilker, los estudiantes de doctorado Yunus Alapan y Mohamed ElKabbash, profesor asistente de física Michael Hinczewski, profesor asistente de ingeniería aeroespacial y mecánica Umut Gurkan co-PI y Antonio De Luca, quien fue investigador visitante en el laboratorio de Strangi durante este estudio y ahora es profesor asociado de física en la Universidad de Calabria en Italia.
La ciencia
El nanosensor, que cabe en la palma de una mano, actúa como un tamiz biológico, aislando una pequeña molécula de proteína que pesa menos de 800 cuadrillonésimos de un nanogramo de una solución extremadamente diluida.
Para hacer que el dispositivo sea tan sensible, el equipo de Strangi se enfrentó a dos barreras de larga data: las ondas de luz no pueden detectar objetos más pequeños que sus propias dimensiones físicas, que varían hasta aproximadamente medio micrón. Y las moléculas en soluciones diluidas flotan en movimiento browniano y sones poco probable que aterrice en la superficie del sensor.
Al aprovechar las herramientas de nanotecnología y al acoplar un canal microfluídico con un material diseñado llamado metamaterial, el científico superó los límites.
El canal microfluídico restringe la capacidad de las moléculas para flotar y las conduce al área de detección en la superficie del metamaterial.
El metamaterial está hecho de un total de 16 capas nanoestructuradas de oro reflectante y conductor y óxido de aluminio transparente, un dieléctrico, cada 10s de átomos de espesor. La luz dirigida hacia y a través de las capas se concentra en un volumen muy pequeño mucho más pequeño que ellongitud de onda de la luz.
La capa superior de oro está perforada con agujeros, creando una rejilla que difunde la luz que brilla en la superficie en dos dimensiones.
La luz entrante, que tiene varios cientos de nanómetros en longitud de onda, parece estar confinada y concentrada en unos pocos nanómetros en la interfaz entre el oro y la capa dieléctrica.
A medida que la luz incide en el área de detección, excita los electrones libres haciéndolos oscilar y generar una onda de superficie de propagación altamente confinada, llamada polaritón de plasmón superficial. Esta onda de superficie de propagación a su vez excitará una onda masiva que se propaga a través de la plataforma de detección.La presencia de las ondas causa profundas caídas en el espectro de la luz reflejada.
La combinación y la interacción de las ondas de plasmón de superficie y de plasma son lo que hace que el sensor sea tan sensible. Dijo Strangi. Al excitar estas ondas a través de las ocho bicapas del metamaterial, crean modos de resonancia notablemente nítidos.
Se pueden utilizar resonancias extremadamente agudas y sensibles para detectar objetos más pequeños.
"Es extremadamente sensible", dijo Strangi. "Cuando una molécula pequeña aterriza en la superficie, se produce una gran modificación local, lo que hace que la luz se desplace".
El potencial
Dependiendo del tamaño de la molécula, la luz reflejada cambia diferentes cantidades. Los investigadores esperan aprender a identificar moléculas específicas, comenzando con biomarcadores para diferentes tipos de cáncer, por sus cambios de luz.
Para agregar especificidad al sensor, el equipo agregó una capa de moléculas trampa, que son moléculas que se unen específicamente con las moléculas que cazan.
En las pruebas, los investigadores utilizaron moléculas de trampa para atrapar dos biomoléculas diferentes: albúmina de suero bovino, con un peso molecular de 66.430 Daltons, y biotina, con un peso molecular de 244 Daltons. Cada una produjo un cambio de luz característico.
Otros investigadores han informado que usan biosensores basados en plasmón para detectar biotina en soluciones a concentraciones que varían de más de 100 micromoles por litro a 10 micromoles por litro. Este dispositivo demostró ser 1 millón de veces más sensible, encontrando e identificando biotina a una concentración de 10picomoles por litro.
Pruebas e implicaciones
En Cleveland, Strangi y Nima Sharifi, MD, co-líder del Programa de Cáncer Genitourinario para el Centro Integral de Cáncer del Caso, han comenzado a probar el sensor con proteínas relacionadas con el cáncer de próstata.
"Para algunos tipos de cáncer, como el cáncer colorrectal y pancreático, la detección temprana es esencial", dijo Sharifi, quien también es el Presidente de la Familia Kendrick para la Investigación del Cáncer de Próstata en la Clínica Cleveland. "La detección de alta sensibilidad de proteínas específicas del cáncer en la sangre deberíapermitir la detección de tumores cuando están en una etapa temprana de la enfermedad.
"Esta nueva tecnología de detección puede ayudarnos no solo a detectar cánceres, sino a qué subconjunto de cáncer, qué está impulsando su crecimiento y propagación y a qué es sensible", dijo. "El sensor, por ejemplo, puede ayudarnos a determinar marcadores decánceres de próstata agresivos, que requieren tratamientos o formas indolentes que no lo hacen "
El laboratorio de Strangi está trabajando con otros oncólogos de todo el mundo para probar el dispositivo y comenzar a mover el sensor hacia el uso clínico.
"Consideramos que esto es solo el comienzo de nuestra investigación", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad Case Western Reserve . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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